2022年全球电解水制氢设备市场成为风口，在订单“激增”的刺激下，大量电解槽巨头企业涌向上游制氢环节。随着电解槽市场放量和电解槽技术的成熟，电解槽环节的发展热点开始出现从整机环节向上游零部件及材料延伸的趋势。
图表1 电解槽概念图
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在电解槽核心零部件中，电催化剂（或称为电极、极网）是电解槽提高电流密度、降低电耗的关键，是解决氢源问题的“卡脖子”关键技术，国际上已存在一些专业供应商如Giner ELX、De Nora（迪诺拉）、Nouryon（诺力昂）等，其中Giner已被普拉格收购，以增强其催化剂层面的技术能力，但国内现阶段催化剂供应商较少，PEM催化剂对外依赖程度高。同时，由于电催化剂使用了铱、铂等贵金属材料，使得电极片占电解槽成本比例高达20-25%，也使得膜电极等关键部件的成本居高不下。
尽管是电解槽及核心材料领域的“新兵”，但上海莒纳新材料科技有限公司（以下简称“莒纳科技”）创始团队聚集了来自催化化学、流体力学、工艺工程、供应链管理等各专业领域顶尖团队的优秀人士，目标是成为新能源领域的电催化剂方案提供商，通过创新方案有效地解决产业难题，推动氢能产业发展。
氢云链认为，电解槽零部件企业的出现，象征着电解槽已经进入了专业化分工阶段，同时也显示电解槽上游零部件也成为资本关注的重点。本文希望通过介绍以莒纳科技为代表的材料创新企业解决电解槽的“卡脖子”核心技术难点，探讨国内电解槽的产业发展阶段和技术发展方向等问题。
在技术方面，莒纳科技实现了两大方面的突破。
丰富的产业经验为莒纳科技带来了国际化视野的研发、产业化和市场化能力，使莒纳科技具备打破“卡脖子”核心技术的专业能力。目前，莒纳科技已经获得30多项国家发明/实用新型专利、多项技术秘密，并在电解槽两大产业难题方面实现了突破：（1）解决PEM膜电极催化剂的贵金属依赖；（2）实现碱性电解槽产氢的“降本增效”。莒纳科技以在电催化剂市场的突破，推动国内绿氢产业的发展。
从技术看，电催化剂在是电解槽中电化学反应发生的场所，也是决定制氢电解槽的制氢效率的根本；从成本看，电极片占电解槽成本比例约20-25%。根据车百智库的预测，未来5年催化电极片市场规模至少为500亿元；从全球市场看，美国Guidehouse Insights认为未来10年全球电解槽市场规模为17490亿元，对应国际催化剂市场规模可达2186亿元。
01 阴极低铂、阳极去铱，解决PEM催化剂贵金属问题
图表2 莒纳科技催化剂产品
来源：莒纳科技
PEM电解槽依赖贵金属。PEM电解槽阴极析氢电催化剂处于强酸性环境，催化剂材料选择耐腐蚀的Pt、Pd贵金属及其合金为主；阳极极化情况更突出，析氧过电势是影响反应效率的最主要因素，目前阳极析氧电催化剂只能选用抗氧化、耐腐蚀的Ir、Ru等少数贵金属或其氧化物作为催化剂材料。
根据衣宝廉院士数据，膜电极上的铂族催化剂总负载量技术规划目标为0.125 mg/cm2，而当前的阳极铱催化剂载量在1 mg/cm2量级，阴极Pt/C催化剂的Pt 载量约为0.4~0.6 mg/cm2 ，距离目标还有较大差距。
因此PEM电解槽仍引来了与燃料电池相似的争议：一是成本问题，贵金属推高了PEM电解槽设备成本，达到碱性电解槽的5倍以上；二是产业链可持续发展问题，铱、铂等贵金属储量有限，在大规模推广情况下能否保供存疑。
针对这两个问题，莒纳科技就膜电极催化剂部分提出了“阴极低铂、阳极去铱”的方案：基于莒纳科技自研技术，阴极使用超低含量贵金属策略，阳极使用价格低廉的过渡金属完全替代贵金属铱。
目前，国内PEM电解槽由于贵金属依赖，膜电极进口依赖度较高，在可再生能源大规模应用的背景下，无论从产业链安全角度还是市场角度，国产替代都势在必行。
02 电流密度11000A/m2，解决碱性电解槽“降本增量提速”难题
现阶段，国内电解槽产品面临着等多项挑战，其中以提升单槽产氢量（增量）、降低综合电耗持续（降本）、提升（碱性）启动速度（提速）最受关注。
单槽产氢量有待提高。可再生能源制氢的发展迅速抬高了电解槽设备大型化的需求，国内新推出的碱性电解槽已经向1500标方/小时乃至2000标方/小时发展。综合电耗有待降低。电解水制氢成本达到30元/公斤以上，远高于副产氢约10元/公斤。
碱性电解槽启动时间需要缩短。碱性电解槽冷启动时间需要数十分钟，不利于适配可再生能源制氢场景。
莒纳科技针对性地提供了解决方案。
（1）产氢量方案：电流密度高至11000A/m2，有望助力碱性电解槽单槽产氢量3000方以上
在单槽大型化的需求下，单纯的小室的叠加来提升单槽产量会造成槽体长度过长，导致电解槽安装不便，电解槽中部下沉等问题。因此莒纳科技通过提高电流密度提高电解槽产氢量。
增大电流密度的关键在于增加给定小室电压下电化学反应的速率，这取决于催化位点的数量和催化位点的本征活性。莒纳科技的一步法多活性位点调控技术，使电流密度最高可达11000A/m2。
高电流密度，配合紧凑的电极片设计，莒纳科技有望帮助电解槽厂商们在同等能耗和体积条件下，产氢量提升至3倍，有望助力碱性电解槽单槽产氢量3000方以上。
（2）能耗方案：降低小室电压20%，能耗降低超10%
水电解的理论电压为1.23V，热中性电压1.48V，但在实践中电解小室的电压达到2V左右。这是由于在高电流密度运行的状态下，阴极和阳极的电化学极化占据了大量能耗。
如图表2所示，莒纳科技通过将小室电压降低15-20%，实现了在同等制氢量和设备体积下，能耗降低超10%——以产氢量1000标方/小时的电解槽为例，每年最高可省500万度电！
图表3 莒纳科技催化剂性能情况
来源：莒纳科技
（3）碱性电解槽启动时间方案：20°C近室温启动
碱性电解槽产氢工作温度一般为70-90°C，冷起动时需要数十分钟升温。莒纳科技通过高效能电催化剂成功将电极片的工作温度范围调整为20-90℃，实现了接近室温启动，从而缩短了启动时间。
专注材料领域
在发展目标方面，莒纳科技负责人表示将专注在材料领域。
绿氢设备市场十分活跃，但更多的是电解槽整机厂商。尽管已经具备电解槽产品能力，但莒纳科技表示现阶段将专注在材料领域。
国内厂商还处于起步阶段，尚未实现规模化商用量产，更多依赖电解槽整机厂商自行解决。这也是国内电解槽市场发展慢于国际的表现。
由于上游专业零部件商较少，产业分工不足，电解槽整机厂需要承担更多的任务。“我们现阶段更重视整机的集成，一些零部件还是通过采购方式获取，所以希望行业分工能够进一步细化，让我们能够更专注自己的领域。”某初创电解槽企业向氢云链表示。“了解电解槽整机，可以帮助我们更好地理解下游产品需求，有助于上游材料的开发设计。”
“我们的目标是成为国际领先的电催化材料科技商！”莒纳科技负责人说道。“我们首期工厂的产品是碱性电解槽电极片，到2023年实现PEM电解槽电极片投产，未来还将发展AEM产品。”
氢云链认为，市场发展阶段决定产业分工的水平。市场需求越大，分工越精细；一个产业越成熟，分工水平越高；专业分工越深入，产业对分工的依赖度也越强。
以莒纳科技为代表的电解槽上游专业零部件厂商的出现，除了有利于技术突破外，更意味着电解槽产业进入了新阶段：
（1）电解槽市场正在快速扩大，并已经到达出现产业分工需求的阶段；
（2）国内电解槽技术发展迅速，分工已经到达材料环节；
（3）产业前景得到社会认可，企业有进入电解槽产业链的意愿；
（4）产业分工有助于产业快速进入到大规模产业化环节。
此外，莒纳科技的案例还说明了资本圈的认知速度提升。莒纳科技已经获得由联想之星领投的数千万融资，同时，国内多家创投机构也正与莒纳科技积极洽谈中，这说明资本圈已经开始关注电解槽整机之外的环节。资本层面对于绿氢装备的认知速度对比燃料电池有所提升，这有助于加快国内绿氢装备产业发展速度。
编辑：风氢扬 校对：氢氢我心 审核：氢云小仙女
来源：氢云链
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